2025年大学《生物技术》专业题库- 酵素工程技术在生物制药中的应用

2025年大学《生物技术》专业题库——酵素工程技术在生物制药中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题1.酶工程技术的核心目标是按照人们的意愿，改造或创造酶的，或改变酶的，使其更适应生物制药工业的生产要求。2.利用基因工程技术改造微生物，使其能够高效产生特定药物前体，属于酶工程应用的方面。3.固定化酶技术是指将酶与相分离，并使其保持一定活性状态的技术方法。4.在生物药物生产中，生物反应器是提供酶或细胞生长和代谢所需的，并对反应过程进行精确控制的设备。5.亲和层析是一种利用酶与其特定结合的原理，从复杂混合物中分离纯化目标生物药物的层析技术。6.蛋白质工程通过修改基因序列，改变酶的，以获得更理想的功能特性。7.酶在生物合成中的催化效率极高，通常比化学催化剂高，且反应条件更温和。8.将酶固定在载体上，可以显著提高酶的，延长其使用寿命，并便于回收利用。9.利用酶的特异性，可以开发出高灵敏度的生物传感器，用于生物药物的定量分析。10.微生物发酵工程是酶工程在生物制药中应用的基础，通过优化发酵条件可以提高酶或目标药物的。二、名词解释1.酶工程2.代谢工程3.固定化酶4.生物反应器5.蛋白质工程三、简答题1.简述利用酶工程技术改造酶的性质的主要方法。2.与游离酶相比，固定化酶在生物制药生产中具有哪些优势？3.解释酶在生物药物纯化过程中发挥作用的基本原理。4.简述代谢工程在抗生素生产中的应用。四、论述题1.论述酶工程技术在生产多肽或蛋白质类生物药物中的应用及其面临的挑战。2.结合具体实例，论述固定化酶技术在生物制药连续化生产中的意义。3.分析酶工程技术在未来生物制药领域可能的发展趋势和前景。五、案例分析题某制药公司计划利用重组大肠杆菌生产一种治疗糖尿病的酶促合成人胰岛素类似物。请简述在此项目中，酶工程技术可能涉及哪些环节？并说明每环节中酶工程技术发挥的作用。试卷答案一、填空题1.活性中心构象2.代谢工程3.载体4.物理和化学环境5.配体6.结构7.10^7~10^13倍8.工作稳定性9.含量10.产量二、名词解释1.酶工程：是指综合运用微生物学、生物化学、分子生物学、细胞生物学以及化学工程等多种学科的基本原理，通过改造酶的结构或利用酶的催化功能，为工业生产或社会生活创造新的酶制剂或设计新的生物生产过程，是一门应用科学。2.代谢工程：是指在代谢网络分析的基础上，通过基因工程技术、蛋白质工程等手段，对细胞内的代谢途径进行修饰、改造或引入新的代谢途径，以达到高效生产目标产物（如药物、能源或化学品）的目的。3.固定化酶：是指将酶与水不溶性载体结合，使其从溶液中分离出来，但仍保持其催化活性的技术。常用的方法有包埋法、吸附法、共价结合法等。4.生物反应器：是进行生物反应的专用设备，为生物催化剂（酶或细胞）提供适宜的生长、代谢或催化的环境条件（如温度、pH、溶氧、营养物质等），并对反应过程进行监测和控制，以获得高效率、高产量和高品质的目标产物。5.蛋白质工程：是在基因工程的基础上，根据蛋白质的结构与功能关系，通过修改基因序列（点突变、缺失、插入等），改变蛋白质的氨基酸序列，从而改造或创造具有特定性质（如提高活性、改变稳定性、改变底物特异性等）的新型蛋白质（酶）的技术。三、简答题1.简述利用酶工程技术改造酶的性质的主要方法。解析思路：此题考察对酶工程核心技术的理解。改造酶性质通常围绕其活性、稳定性、底物特异性等。主要方法应从分子水平入手。答案要点：①基因工程：通过基因突变（如定点突变、随机诱变）、基因重组等手段改变编码酶的基因序列，从而改变酶的结构和性质。②蛋白质工程：在基因工程基础上，根据氨基酸与功能的关系，有目的地设计基因修饰，定点改变蛋白质结构。③酶分子融合：将酶与其他蛋白（如稳定域、信号肽）融合表达，赋予酶新的性质（如提高稳定性、便于纯化等）。④酶固定化：通过物理或化学方法将酶固定在载体上，改变其存在状态，间接影响其稳定性、反应选择性等。2.与游离酶相比，固定化酶在生物制药生产中具有哪些优势？解析思路：此题考察固定化酶技术的优点。应从酶的应用角度，对比游离酶的缺点来阐述固定化酶的优势。答案要点：①提高稳定性：固定化酶与载体结合，减少了酶与不良环境（如有机溶剂、高温、强酸强碱）的直接接触，或限制了酶的自溶，从而提高了酶的稳定性。②易于回收和重复使用：固定化酶可以与反应底物和产物分离，便于回收和储存，多次使用可降低生产成本。③改善反应动力学：固定化酶可能提高酶的局部浓度，减少传质限制，提高反应速率。④便于实现反应器小型化和连续化生产：固定化酶易于装填于不同形式的反应器中，易于实现连续搅拌反应或固定床反应，提高生产效率。⑤改善纯化过程：可与产物一同被固定化载体捕获，简化下游纯化步骤。3.解释酶在生物药物纯化过程中发挥作用的基本原理。解析思路：此题考察酶在下游加工中的应用。核心在于利用酶结构的特异性。答案要点：①亲和层析：利用酶与其特异性配体（如抗体、特定小分子化合物）之间的可逆结合作用，将含有目标酶的混合物通过填充有配体的层析柱，目标酶被特异性吸附，其他杂蛋白流走，然后用洗脱液将目标酶洗脱下来，实现分离纯化。②酶促反应纯化：在某些情况下，可以通过酶促反应将目标蛋白转化为具有不同物理化学性质的衍生物，再利用其他层析方法（如离子交换、凝胶过滤）进行分离纯化。4.简述代谢工程在抗生素生产中的应用。解析思路：此题考察代谢工程的具体应用实例。需结合抗生素的生物合成途径。答案要点：①调控关键酶活性：通过基因改造降低代谢途径中竞争性抑制物或副产物的合成关键酶的活性，将代谢流导向主产物（抗生素）的合成。②改造代谢网络：删除或改造与抗生素合成无关或产生有害副产物的代谢分支，构建更高效的抗生素合成途径。③调节转运系统：改造细胞膜上的转运蛋白，提高抗生素合成前体物质的摄取或目标抗生素的输出效率。④优化发酵条件：结合基因工程改造，进一步优化培养基组成、培养温度、pH、通气量等发酵条件，最大化抗生素产量。四、论述题1.论述酶工程技术在生产多肽或蛋白质类生物药物中的应用及其面临的挑战。解析思路：此题要求深入探讨酶工程在复杂生物药物生产中的应用。需结合多肽/蛋白质合成特点（通常由多个酶催化）和酶工程手段（菌种改造、酶优化、固定化等）展开论述，并分析实际困难。答案要点：应用：①多肽/蛋白质合成途径构建：利用基因工程将编码目标多肽/蛋白质合成酶（如氨基酰-tRNA合成酶、肽合成酶、翻译延伸因子等）的基因克隆到宿主（如细菌、酵母、哺乳动物细胞）中，构建表达系统。②酶活性优化：通过蛋白质工程改造宿主细胞来源的氨基酰-tRNA合成酶等，提高其与异源氨基酸的识别准确性，减少错误翻译。③固定化酶/细胞反应器：将参与合成或修饰的酶（如转氨酶、糖基转移酶）固定化，或将整个细胞固定化，用于连续化生产，提高效率和纯化便利性。④工程菌/细胞优化：通过代谢工程、诱变育种等方法，构建高产、高正确性、高表达量的工程菌株/细胞。面临的挑战：①错误翻译问题：异源蛋白质在宿主中可能被错误翻译，导致蛋白质折叠异常、功能丧失或免疫原性增加。②后翻译修饰复杂：真核生物来源的蛋白质往往需要复杂的翻译后修饰（糖基化、磷酸化、乙酰化等），在原核或酵母中难以完全模拟，需改造宿主细胞或引入特定酶系。③酶学效率与平衡：多步酶促反应需协同优化，提高整体合成效率，避免中间产物积累或副反应发生。④成本控制：复杂酶工程改造、大规模发酵和纯化过程成本较高。2.结合具体实例，论述固定化酶技术在生物制药连续化生产中的意义。解析思路：此题要求结合实例，阐述固定化酶在连续化生产模式下的优势。应先说明连续化生产的优点，再结合固定化酶的特性说明其如何促进连续化。答案要点：意义：固定化酶技术是实现生物制药连续化生产的关键支撑之一。连续化生产相比分批式生产，具有生产效率高、产品纯度高、占地少、能耗低、过程控制易于自动化等优点。固定化酶的特性使其特别适合连续化应用。实例与说明：①亲和纯化固定床：在多肽或蛋白质药物的纯化中，将特异性配体固定在载体上制成亲和层析柱，样品溶液连续流过柱子，目标蛋白特异性结合被捕获，杂蛋白流走，洗脱液洗下目标蛋白，可实现24小时不间断纯化。②固定化酶膜反应器：将固定化酶涂覆或集成在膜表面，形成膜反应器。底物溶液流过膜表面与酶接触发生反应，产物通过膜孔排出，酶则留在膜表面。可用于氨基酸、核苷酸等小分子药物的连续生产或转化。③固定化酶流体化床反应器：将固定化酶颗粒在流化状态下进行反应，传质效率高，反应混合物易于分离。这些固定化酶系统可以实现反应与分离的集成，简化工艺流程，提高整体生产效率和稳定性，是连续化生产的重要形式。3.分析酶工程技术在未来生物制药领域可能的发展趋势和前景。解析思路：此题考察对学科前沿的展望。应基于当前技术热点和发展方向进行预测。答案要点：①合成生物学与酶工程深度融合：利用合成生物学方法精确设计和构建具有特定功能的酶或代谢通路，实现更高效、更专一的酶催化应用。②定向进化与蛋白质工程智能化：结合高通量筛选、机器学习等手段，加速酶的定向进化过程，更精准地改造酶的结构和功能，例如提高热稳定性、耐受有机溶剂、改变催化谱等。③新型固定化技术：开发环境友好、负载量高、传质性能优异的固定化方法（如纳米材料固定、仿生材料固定、酶微胶囊化等），进一步提升固定化酶的性能和应用范围。④酶催化绿色化学：随着可持续发展要求提高，酶工程将更广泛应用于替代传统化学合成方法，实现生物基、环境友好的药物合成路线。⑤人工智能辅助酶应用：利用AI预